Биомониторинг

Наблюдение за загрязнением воздуха, влияющим на окружающую среду, позволяет разрабатывать средства мониторинга и совершенствовать физико-химические методы. Биомониторинг в основном основан на растениях и лишайниках, которые являются настоящими стражами качества воздуха.

Биомониторинг качества воздуха: концепции и приложения

Биомониторинг качества воздуха относится к использованию организмов, таких как растения или грибы, для мониторинга последствий загрязнения в различных масштабах. Этот метод был предложен в 19 веке и постоянно развивался. Финский бриолог Уильям Нидерланд наблюдал в Париже, что сокращение численности некоторых видов лишайников связано с загрязнением воздуха.

Различные концепции биомониторинга

Организмы- индикаторы — это организмы, части организмов или биомы, которые могут предоставить информацию о воздействии на окружающую среду.

Мониторинг окружающей среды также может осуществляться с использованием биоаккумулятивных организмов, которые предоставляют информацию об условиях окружающей среды и их изменениях путем накопления веществ, присутствующих в окружающей среде и/или в ней.

Эффектор – это организм, дающий информацию об условиях внешней среды и их изменениях посредством проявления специфических признаков (молекулярных, биохимических, цитологических, физиологических, анатомических или морфологических) или их наличия или отсутствия в организме экосистемы.

Сфера применения биологических индикаторов качества воздуха

Биомониторинг растений и грибов включает воздействие загрязнителей воздуха на растения (например, табак, райграс, петунию и т. д.) или лишайники . Мониторинг основан на наблюдении за тем, как организмы реагируют на окружающую среду и как они реагируют на загрязняющие вещества.

Во многих случаях организмы, используемые для биомониторинга, выращиваются в исследуемой среде ( пассивный биомониторинг ). Однако, когда организмы отсутствуют в окружающей среде, организмы (растения, мхи, лишайники…) могут быть перенесены в контролируемую среду путем пересадки ( активный биомониторинг ). Существует множество различных методов пересадки, некоторые из которых стандартизированы. Следует отметить, что трансплантированные организмы либо культивировались искусственно (например, высшие растения), либо собирались в незагрязненной среде (например, некультивируемые мхи и лишайники).

Примеры применения биомониторинга растений и грибов

Лишайники 

Первый «современный» биомониторинг сосредоточился на эволюции сообществ лишайников. В 1970-х и 1980-х годах основными загрязнителями воздуха в Западной Европе были диоксид серы и взвешенная пыль (SO2 _и PS), в основном от промышленного производства. В то время ученые, такие как Хоксворт и Росс в Англии  и Ван Харувин во Франции, изучали влияние этих поллютантов на  сообщества эпифитных лишайников (растущих на стволах деревьев).

 Воздействие. Как упоминал Нюландер, все эти ученые наблюдали явное влияние загрязнения воздуха на специфический состав сообществ лишайников (по мере усиления загрязнения уменьшается богатство сообществ эпифитных лишайников и изменяется видовой состав). Изучая виды лишайников, они разработали различные методы прямой оценки воздействия загрязнителей воздуха на окружающую среду. Эти методы в основном основаны на наблюдении за чувствительностью распределения и численности видов к загрязняющим веществам. По мере загрязнения воздуха ситуация усложняется (снижается SO ₂ и увеличиваются концентрации азота, озона, органических соединений и т. д.).

Эволюция растительных, грибковых и животных сообществ также связана с изменением климата. Изменения в ареале разных видов (в сторону больших высот, больших широт и т. д.) можно отслеживать по мере изменения условий среды. Это недавнее применение методов биомониторинга.

Ван Харувин и Лехренд разработали методы, в которых в качестве меры используются обследования сообществ лишайников , что позволяет изучать влияние загрязнения воздуха на глобальную окружающую среду. Обследования сообществ лишайников основаны на наблюдениях за географически охарактеризованными популяциями и их эволюцией с загрязнением. Во Франции эта мера в настоящее время заменена новым стандартизированным  индексом эпифитных лишайников ( IBLE ) и распространена на всю Европу. Индекс рассчитывает и измеряет разнообразие, наблюдая за наличием/отсутствием, частотой и степенью восстановления видов. Изменения в IBLE указывают на увеличение или уменьшение разнообразия.

Накопление загрязнителей

Некоторые организмы обладают способностью накапливать поллютанты в тканях без существенных физиологических изменений. Эта характеристика используется для оценки того, насколько токсичен загрязнитель для окружающей среды . На сегодняшний день это наиболее широко используемый метод биомониторинга. Отследить таким образом можно только те загрязнители, которые могут значительно накапливаться в живых организмах. В том числе металлы, радиоактивные элементы, стойкие органические загрязнители (диоксины, фураны, полихлорбифенилы и др.), некоторые соединения азота. Количество накопленных загрязняющих веществ отражает их биодоступность . Поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не определять количество загрязнения воздуха непосредственно на основе наблюдений. Концентрации загрязняющих веществ показывают, насколько загрязнена окружающая среда, а также позволяют изучать движение загрязняющих веществ по пищевой цепи , помогая оценить их риск для здоровья. В частности, оценить загрязнение растений, которые непосредственно потребляются человеком. Такие методы исследования, как протокол BARGE, позволяют рассчитать риски для здоровья на основе потребления растений, загрязненных металлами, т. е. путем оценки количества загрязнителей, которые могут быть поглощены организмом, и оценки рисков для здоровья на основе токсичности загрязняющих веществ.

Поэтому для контроля воздействия поллютантов в пространстве и времени  можно использовать множество методов (например, мониторинг загрязнения металлами лишайников, пересаженных райграсов, мхов и т. д.). Этот подход может применяться вне площадки (например, вблизи промышленных источников) или на больших территориях.

Биомониторинг, основанный на наблюдении за растительными признаками

Некоторые загрязнители могут вызвать появление у растений отчетливых, ярко выраженных симптомов. Наиболее ярким примером является озон, вызывающий некроз листьев . Из нескольких моделей табака наиболее «известной» является модель табака Bel W3, стандартизированная для использования в биомониторинге. Озон вызывает белые некротические пятна на листьях этого вида. Во время воздействия некротический сорт «Bel W3» сравнивали с устойчивым сортом «Bel B» для оценки повреждения озоном и подтверждения того, что повреждение не было вызвано фитопатогенными организмами.

Когда концентрация озона составляет 80 мкг/м3 ^и выше, он может вызвать повреждение листьев растений. Чем выше концентрация озона, тем больше площадь некротизированных листьев. Растения размещали в разных местах, раз в неделю наблюдали за поверхностью некротизированных листьев и сравнивали некротизированные листья с контрольной группой.

Аналогичным образом, для оценки воздействия озона можно отслеживать рост клевера. В этом случае озон может вызвать замедление ее роста. Однако озон — не единственный загрязнитель, влияние которого на окружающую среду заметно. Например, петунии можно использовать для наблюдения за воздействием летучих органических соединений. Эти загрязняющие вещества могут изменить характеристики роста и цветения растений.

Растительные маркеры

Сегодня воздействие загрязняющих веществ часто трудно увидеть невооруженным глазом. Кроме того, к тому времени, когда появляются видимые повреждения, часто бывает «слишком поздно». В течение многих лет исследовательские усилия были направлены на разработку растительных маркеров воздействия загрязняющих веществ и реакции на них . Эти биомаркеры должны обладать рядом свойств, включая контролируемые физиологические реакции (клеточное дыхание, фотосинтез и т. д.), контролируемые компенсаторные механизмы (ферментативные или неферментативные антиоксидантные системы и т. д.) или эффекты (разрывы ДНК, образование микробов и т. д.). .) ядра, «кометы», изображенные на рис. 5 и др.).

 Основные моменты

• Использование растений, мхов и лишайников в качестве индикаторов воздействия загрязнения воздуха на окружающую среду.
• Лишайники, растущие на стволах деревьев, открыли дорогу биомониторингу. В настоящее время используется метод индекса эпифитов лишайников (IBLE), который оценивается по разнообразию, частоте и распространению лишайников на стволах деревьев. Этот показатель связан с воздействием качества воздуха.
• Некоторые организмы обладают способностью накапливать поллютанты в своих тканях без физиологических эффектов. Это позволяет осуществлять пространственно-временной мониторинг воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду.
• Озон обладает свойством вызывать некроз листьев растений, особенно листьев табака. Другие загрязнители могут повлиять на рост клевера или процесс цветения петунии. Все эти типичные растения использовались для биомониторинга.

Ссылки и инструкции

[1]  Nylander, W. (1896) Лишайники со всего Парижа Librairie des Sciences Naturelle, Paul Klincksieck, Paris

[2]  Лишайники представляют собой организмы, образованные грибами и водорослями, и являются членами царства грибов. У них нет корней, стеблей, листьев, вегетативных органов, собирательно называемых слоевищем. Получает воду и минеральные элементы путем обмена с атмосферой. Клетки водорослей в талломе подвергаются фотосинтезу для синтеза органических веществ.

[3]  Леблон С., Гомбер-Курвуазье С., Луи-Роуз С. (2014 г.) Стандартизация в области биомониторинга качества воздуха Международный семинар по растительному и грибковому биомониторингу качества воздуха, Лилль, Франция, 13 и 14 октября. 2014.

[4]  Hawksworth, DL Rose, F. (1970) Качественная шкала для оценки загрязнения воздуха диоксидом серы в Англии и Уэльсе с использованием эпифитных лишайников , Nature, 227, 145-148.

[5]  Ван Халувин С., Леронд М. (1986).Лишайники и качество воздуха: методологическая эволюция и ограничения.Доклад № 2130, Париж, Министерство окружающей среды (SREIE).

[6]  AFNOR (2008 г.) Биомониторинг воздуха – Определение биологического индекса лишайников-эпифитов (IBLE), стандарт NF X43-903, Париж, AFNOR.

[7]  AFNOR (2008 г.) Биомониторинг воздуха – Биоиндикация озона табаком, Стандарт NF X43-900, Париж, AFNOR.